Отделът за дренажни услуги към правителството на специалния административен район Хонконг е поел ангажимент да помогне за смекчаване на глобалното изменение на климата. През годините в някои от неговите съоръжения са инсталирани енергоспестяващи съоръжения и съоръжения за възобновяема енергия. С официалното стартиране на „План за пречистване на пристанището Фаза II А“ на Хонконг, Отделът за дренажни услуги инсталира система за генериране на хидравлична турбина в пречиствателната станция за отпадъчни води Stonecutters Island (пречиствателната станция за отпадъчни води с най-голям капацитет за пречистване на отпадъчни води в Хонконг), която използва хидравличната енергия на течащите отпадъчни води за задвижване на турбогенератора и след това генерира електричество за използване на съоръженията в станцията. Този документ представя системата, включително предизвикателствата, срещани при изпълнението на съответните проекти, съображенията и характеристиките на проектирането и изграждането на системата, както и експлоатационните характеристики на системата. Системата не само помага за спестяване на разходи за електроенергия, но също така използва вода за намаляване на въглеродните емисии.
1 Въведение в проекта
Втората фаза А от „План за пречистване на пристанището“ е мащабен план, изпълняван от правителството на Специалния административен район на Хонконг, за подобряване на качеството на водите в пристанище Виктория. Той беше официално въведен в експлоатация през декември 2015 г. Обхватът му включва изграждането на дълбок канализационен тунел с обща дължина около 21 км и 163 м под земята, за транспортиране на отпадъчни води, генерирани в северната и югозападната част на острова, до пречиствателната станция за отпадъчни води на остров Стоункътърс и за увеличаване на капацитета за пречистване на станцията до 245 × 105 м3/ден, предоставяйки услуги за пречистване на отпадъчни води на около 5,7 милиона граждани. Поради ограниченията на земята, пречиствателната станция за отпадъчни води на остров Стоункътърс използва 46 комплекта двуетажни утаителни резервоари за химически подобрено първично пречистване на отпадъчните води, като всеки два комплекта утаителни резервоари ще споделят вертикална шахта (т.е. общо 23 шахти), за да изпратят пречистените отпадъчни води до подземната дренажна тръба за окончателна дезинфекция, а след това в дълбокото море.
2 Съответни ранни изследвания и разработки
Предвид голямото количество отпадъчни води, пречиствани от пречиствателната станция за отпадъчни води на остров Стоункътърс всеки ден, и уникалния двуслоен дизайн на утаителния резервоар, тя може да осигури определено количество хидравлична енергия, докато изпуска пречистените отпадъчни води, за да задвижва турбогенератора за генериране на електроенергия. Екипът на отдела за дренажни услуги след това извърши съответно проучване за осъществимост през 2008 г. и проведе серия от полеви тестове. Резултатите от тези предварителни проучвания потвърждават осъществимостта на инсталирането на турбогенератори.
Място на монтаж: в шахтата на утаителния резервоар; Ефективно водно налягане: 4,5~6 м (конкретният дизайн зависи от реалните експлоатационни условия в бъдеще и точното положение на турбината); Диапазон на дебита: 1,1 ～ 1,25 м3/с; Максимална изходна мощност: 45~50 kW; Оборудване и материали: Тъй като пречистените отпадъчни води все още имат известна корозивност, избраните материали и свързаното с тях оборудване трябва да имат адекватна защита и устойчивост на корозия.
В тази връзка, отделът за дренажни услуги е резервирал място за два комплекта утаителни резервоари в пречиствателната станция за отпадъчни води, за да инсталира система за генериране на турбинна енергия в проекта за разширение на „Проект за пречистване на пристанището, фаза II А“.
3 Съображения и характеристики на системния дизайн
3.1 Генерирана мощност и ефективно водно налягане
Връзката между електрическата мощност, генерирана от хидродинамична енергия, и ефективното водно налягане е следната: генерирана електрическа мощност (kW) = [плътност на пречистените отпадъчни води ρ (kg/m3) × дебит на водата Q (m3/s) × ефективно водно налягане H (m) × гравитационна константа g (9.807 m/s2)] ÷ 1000
× Обща ефективност на системата (%). Ефективното водно налягане е разликата между максимално допустимото ниво на водата в шахтата и нивото на водата в съседната шахта в течащата вода.
С други думи, колкото по-висока е скоростта на потока и ефективното водно налягане, толкова по-голяма е генерираната мощност. Следователно, за да се генерира повече мощност, една от проектните цели е да се даде възможност на турбинната система да получи най-високата скорост на водния поток и ефективно водно налягане.
3.2 Ключови моменти от проектирането на системата
Преди всичко, по отношение на дизайна, новоинсталираната турбинна система не трябва да влияе максимално на нормалната работа на пречиствателната станция за отпадъчни води. Например, системата трябва да има подходящи защитни устройства, за да се предотврати преливането на пречистените отпадъчни води от утаителния резервоар, разположен нагоре по течението, поради неправилно управление на системата. Работните параметри, определени по време на проектирането: дебит 1,06 ～ 1,50 m3/s, ефективен диапазон на водно налягане 24 ～ 52 kPa.
Освен това, тъй като отпадъчните води, пречистени от утаителния резервоар, все още съдържат някои корозивни вещества, като сероводород и сол, всички материали на компонентите на турбинната система, които са в контакт с пречистените отпадъчни води, трябва да бъдат устойчиви на корозия (като например дуплексните материали от неръждаема стомана, често използвани за оборудване за пречистване на отпадъчни води), за да се подобри дълготрайността на системата и да се намали броят на поддръжката.
По отношение на проектирането на енергийната система, тъй като производството на енергия от канализационната турбина не е напълно стабилно поради различни причини, цялата система за производство на електроенергия е свързана паралелно с мрежата, за да се поддържа надеждно електрозахранване. Свързването към мрежата трябва да бъде организирано в съответствие с техническите насоки за свързване към мрежата, издадени от енергийната компания и отдела за електрически и механични услуги на правителството на специалния административен район Хонконг.
По отношение на разположението на тръбите, освен съществуващите ограничения на обекта, се взема предвид и необходимостта от поддръжка и ремонт на системата. В тази връзка, първоначалният план за инсталиране на хидравличната турбина в шахтата на утаителния резервоар, предложен в проекта за научноизследователска и развойна дейност, е променен. Вместо това, пречистените отпадъчни води се отвеждат от шахтата през отвор и се насочват към хидравличната турбина, което значително намалява трудността и времето за поддръжка и намалява въздействието върху нормалната работа на пречиствателната станция за отпадъчни води.
Тъй като утаителният резервоар понякога се нуждае от окачване за поддръжка, гърлото на турбинната система е свързано с два вала от четири комплекта двуетажни утаителни резервоари. Дори ако два комплекта утаителни резервоари спрат да работят, другите два комплекта утаителни резервоари също могат да осигуряват пречистени отпадъчни води, да задвижват турбинната система и да продължат да генерират електроенергия. Освен това е запазено място близо до шахтата на утаителния резервоар 47/49 # за инсталиране на втората система за генериране на енергия от хидравлична турбина в бъдеще, така че когато четирите комплекта утаителни резервоари работят нормално, двете системи за генериране на енергия от турбини да могат да генерират енергия едновременно, достигайки максималния си капацитет.
3.3 Избор на хидравлична турбина и генератор
Хидравличната турбина е ключовото оборудване на цялата система за производство на електроенергия. Турбините могат да бъдат разделени на две категории според принципа на работа: импулсен тип и реакционен тип. Импулсният тип е, при който флуидът се изстрелва към лопатката на турбината с висока скорост през множество дюзи и след това задвижва генератора, за да генерира енергия. Реакционният тип преминава през лопатката на турбината през флуида и използва налягането на нивото на водата, за да задвижва генератора, за да генерира енергия. В тази конструкция, въз основа на факта, че пречистените отпадъчни води могат да осигурят ниско водно налягане при протичане, е избрана турбина на Каплан, един от по-подходящите реакционни типове, тъй като тази турбина има висока ефективност при ниско водно налягане и е сравнително тънка, което е по-подходящо за ограниченото пространство на обекта.
Що се отнася до генератора, е избран синхронен генератор с постоянен магнит, задвижван от хидравлична турбина с постоянна скорост. Този генератор може да генерира по-стабилно напрежение и честота от асинхронния генератор, което го прави по-добър в качеството на електрозахранването, по-прост в паралелната мрежа и изисква по-малко поддръжка.
4 Характеристики на конструкцията и експлоатацията
4.1 Паралелно разположение на мрежата
Присъединяването към мрежата трябва да се извърши в съответствие с техническите насоки за присъединяване към мрежата, издадени от енергийната компания и отдела за електрически и механични услуги на правителството на специалния административен район Хонконг. Съгласно насоките, системата за производство на електроенергия от възобновяеми източници трябва да бъде оборудвана с функция за защита срещу островно прекъсване, която може автоматично да отдели съответната система за производство на електроенергия от възобновяеми източници от разпределителната система, когато електропреносната мрежа спре да доставя енергия по някаква причина, така че системата за производство на електроенергия от възобновяеми източници да не може да продължи да доставя енергия към разпределителната система, за да се гарантира безопасността на електроинженерния персонал, работещ по мрежата или разпределителната система.
По отношение на синхронната работа на електрозахранването, системата за производство на електроенергия от възобновяеми енергийни източници и разпределителната система могат да бъдат синхронизирани само когато интензитетът на напрежението, фазовият ъгъл или честотната разлика са контролирани в приемливи граници.
4.2 Контрол и защита
Системата за генериране на енергия от хидравлична турбина може да се управлява в автоматичен или ръчен режим. В автоматичен режим, шахтите на утаителния резервоар 47/49 # или 51/53 # могат да се използват като източник на хидравлична енергия, а системата за управление ще стартира различни контролни клапани според зададените данни, за да избере най-подходящия утаителен резервоар, с цел оптимизиране на производството на енергия от хидравличната турбина. Освен това, контролният клапан автоматично ще регулира нивото на отпадъчните води нагоре по течението, така че утаителният резервоар да не прелива от пречистените отпадъчни води, като по този начин ще увеличи производството на енергия до най-високо ниво. Системата за турбогенератор може да се регулира от главната контролна зала или на място.
По отношение на защитата и контрола, ако захранващата кутия или контролният вентил на турбинната система се повреди или нивото на водата надвиши максимално допустимото ниво на водата, системата за генериране на енергия на хидравличната турбина също автоматично ще спре работата си и ще изпусне пречистените отпадъчни води през байпасната тръба, за да предотврати преливането на утаителния резервоар нагоре по течението поради системна повреда.
5 Производителност на системната работа
Тази система за генериране на електроенергия с хидравлични турбини беше пусната в експлоатация в края на 2018 г., със средна месечна мощност над 10000 kW·h. Ефективното водно налягане, което може да задвижва системата за генериране на електроенергия с хидравлични турбини, също се променя с времето поради високия и ниския дебит на отпадъчни води, събирани и третирани от пречиствателната станция за отпадъчни води всеки ден. За да се увеличи максимално мощността, генерирана от турбинната система, отделът за дренажни услуги е проектирал система за управление, която автоматично регулира въртящия момент на турбината според дневния дебит на отпадъчните води, като по този начин подобрява ефективността на производството на електроенергия. Фигура 7 показва връзката между системата за генериране на електроенергия и водния дебит. Когато водният дебит надвиши зададеното ниво, системата автоматично ще заработи, за да генерира електроенергия.
6 Предизвикателства и решения
Отделът за дренажни услуги се е сблъскал с много предизвикателства при изпълнението на съответните проекти и е формулирал съответни планове в отговор на тези предизвикателства.
7 Заключение
Въпреки различните предизвикателства, този комплект система за генериране на енергия от хидравлични турбини беше успешно пуснат в експлоатация в края на 2018 г. Средната месечна мощност на системата е над 10 000 kW·h, което е еквивалентно на средната месечна консумация на енергия от около 25 домакинства в Хонконг (средната месечна консумация на енергия на всяко домакинство в Хонконг през 2018 г. е около 390 kW·h). Отделът за дренажни услуги е поел ангажимент да „предоставя услуги за пречистване и отводняване на отпадъчни и дъждовни води от световна класа, за да насърчава устойчивото развитие на Хонконг“, като същевременно насърчава проекти за опазване на околната среда и изменение на климата. При прилагането на възобновяема енергия, отделът за дренажни услуги използва биогаз, слънчева енергия и енергия от потока на пречистени отпадъчни води за генериране на възобновяема енергия. През последните няколко години средното годишно производство на възобновяема енергия от отдела за дренажни услуги е около 27 милиона kW·h, което може да задоволи енергийните нужди на около 9% от отдела за дренажни услуги. Отделът за дренажни услуги ще продължи усилията си за укрепване и насърчаване на прилагането на възобновяема енергия.
Време на публикуване: 22 ноември 2022 г.
